PCBサージ保護：過渡電圧抑制のためのPCB設計

産業環境、航空機、電力配分、そして多くの消費者製品における電子システムは、電力サージのリスクにさらされることがあります。サージが発生すると、大きな電流のスパイクが電源接続または他のコネクタを通じて基板に伝わり、コンポーネントの損傷やシステムの故障を引き起こす可能性があります。関連する現象に静電放電（ESD）があり、本質的には同じ効果を異なる原因で作り出します。

これらの危険に対処するため、典型的な運用シナリオで安全性と過渡耐久要件を定義する複数の業界標準が開発されています。サージ保護とESD保護は、EMCテストに合格するための重要な部分でもあります。電力サージによる過渡電圧抑制を対処するためのレベルは3つあります：

• エンクロージャの設計で
• 適切な接地戦略を用いたPCB上で
• 過渡電圧を逸らすまたは吸収するコンポーネントを使用して

このガイドでは、PCBAで最大限のESD保護を確保するためのコンポーネント選択、配置、および接地実践を概説する複数のリソースを含めています。これらの3つの領域は、PCB設計における業界最高のソフトウェアであるAltium Designerのレイアウトツールとコンポーネント選択機能を使用して対処できます。

PCBサージ保護戦略

自宅の電子機器に電源タップを使用している場合、それらが提供するサージ保護にすでに気づいているでしょう。落雷、主電源線上の電力サージ、家庭内の電気配線のショートが発生した場合、サージプロテクターは電圧抑制器として機能し、電源入力で受けた過渡的な電流を減衰させます。サージ保護は、異なるエッジレートとピーク電圧の過渡電流を逸らす、吸収する、または完全に遮断することに焦点を当てています。

過渡電圧抑制コンポーネントの選択

過渡電圧は、電力バスライン上の電力サージと、電力またはデータラインにパルスを注入するESDイベントの2つの方法で電子機器に発生します。そのため、一部のコンポーネントはESDとサージの両方に対する保護が可能です。これらのコンポーネントを選択するための2つの重要な仕様は次のとおりです：

• 応答時間
• 耐電圧、電流、および/または電力定格

過渡電圧抑制コンポーネントとサージ保護のための複数のオプションがあります。これらのコンポーネントは、異なる範囲と過渡エッジレートに対するサージ保護を提供し、電子デバイスに最大限の保護を提供するためにカスケード構成で組み合わせることができます。

これらのコンポーネントによって提供される保護レベルは大きく異なるため、上記の表に示されているように保護範囲に大まかに分類されています。この表には、これらが回路内でどのように接続されるかもリストされています。双方向TVSダイオードを使用した例が以下に示されています。

サージ保護デバイスの配置

サージ保護コンポーネントの理想的な配置は、PCBが過渡的なイベントにさらされる可能性のある場所の近くです。サージ保護コンポーネントは、パルスが他のコンポーネントを損傷する可能性がある前に、入ってくるESDパルスと相互作用するべきです。ESDが発生する可能性のある典型的なエリアには、コネクタ表面、露出したピン、電源/バレルコネクタ、ボタン、スイッチが含まれます。以下に配置の例を示します。

• シャント要素としてのサージプロテクターの配置についてもっと学ぶ

同じ考え方は、サーキットブレーカー、リセッタブルヒューズ、リレー、ガス放電管などのサージ保護デバイスにも適用されます。例えば、これらのコンポーネントは主電源入力によく使用されるため、PCB上でそのコネクタの近くに配置するべきです。

PCB上では、TVSダイオード、ガス放電管、または金属酸化物バリスタを保護されたラインを横切るシャント要素として配置することが望ましいです。これは信号線と電源線の両方に適用されます。下のPCBレイアウト画像は、3つのTVSダイオードの配置を示しています。2つは差動ペア上にあり、もう1つはUSB-Aコネクタから来る電源バスライン上にあります。

上に示された回路図は、シャーシGNDとシステムGNDの間の接続を示しています。後者はデータラインの信号を参照するために使用されます。この接続はESD保護に重要ですが、一般にコネクタで配置するべきではありません。代わりに、この接続の配置は、システムにシャーシグラウンドが存在する場合、設計者が考慮しなければならないグラウンディング戦略の重要な部分です。

グラウンディング

過渡的なサージを吸収および/またはバイパスするサージ保護デバイスはデバイス保護に重要ですが、サージおよびESD保護のための最良の戦略は、適切な接地戦略から始まります。設計内の接地領域は、ESDイベントからの電流を散逸させるための安全な導体として機能することができます。強い過渡を受けることが予想されるPCBレイアウト、またはライン電圧に接続されるPCBレイアウトは、ESDおよび故障に対する保護のために適切な接地戦略を持つべきです。

• PCBレイアウト内の接地の種類についてもっと学ぶ

ボード上でシャーシ接地および最終的に地球接地（これらが存在すると仮定）への接続が行われることがあります。これは、特に金属化されたケーブルハウジングやシールドケーブルにおいて、優れたESD保護を提供します。サージ保護では、シャント要素がシャーシまたはシステム接地への直接接続を通じて過渡を逸らすことができます。システムを設計し、PCBレイアウトのトポロジーを決定する際に、電力サージがどこで散逸されるかを決定することが重要です。

どのシステムにサージ保護が必要か？

全てのPCBが高電圧やESDイベントにさらされるシステムの一部となるわけではありません。一般的な電子機器に適用されるEMC基準があり、これらは米国とヨーロッパではFCC/CEによって指定されていますが、他の国に適した基準もあります。他の業界団体や政府機関は、異なる産業やアプリケーション環境の電子機器に対して特定のESD要件を指定しています。例えば：

• MIL‑STD‑1686
• ANSI基準
• ISO基準
• IEC基準
• DO-160基準
• SAE J-テスト
• FAA基準

これらの基準群は、商業オフィス機器から軍事、自動車、航空機、医療機器までのシステムをカバーしています。専門のテスト施設は、これらの基準群に対するコンプライアンス検証サービスを提供します。これらの基準は、より広範なEMCテストおよびコンプライアンスの一部であり、ESD保護を実装するための最適な戦略を理解しておくことが重要です。

• EMCコンプライアンスについてもっと学ぶ

PCBのサージ保護コンポーネントを選択する際には、それらのコンポーネントを簡単に見つけて配置し、ルーティングできる設計ソフトウェアを使用する必要があります。基板用のサージ保護コンポーネントを探す必要がある場合は、Altium Designer^®のCADツールを使用してください。設計が完了し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365^™プラットフォームを使用すると、プロジェクトの共有やコラボレーションが簡単になります。

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